Kamijo Kenjiro - 제 7장, NASA와의 관계 - 도움을 주다

1. NASA에 선회 캐비테이션과 관련하여 도움을 주다

얼마 안 되지만 NASA에 은혜를 값았다고 생각되는 일도 있었다. LE-7 엔진의 액체산소 터보펌프 인듀서에서 발생하였던 선회 캐비테이션 억제책 고안을 계기로 선회 캐비테이션 현상의 해명과 이론 구축이 급격히 진행되었다. 이들 성과는 이후 NASA의연구개발에도 크게 도움이 되었을 것인데, 확실하게는 필자의 여러 논문들이 NASA에서 발표된 논문들에 인용되었다. 이 위에 이야기가 펼쳐진다.

2. SSME의 고압 액체산소 터보펌프(HPOTP)에서 발생한 초 동기 축 진동

미국 Rocketdyne 사가 제작하였던 우주왕복선 주 엔진(SSME, RS-25)의 터보펌프에 신뢰성을 낮추는 몇 가지의 문제가 발생하였다. 이로 인하여 NASA는 P&W(Pratt and Whitney)사에 호환성을 갖는 터보펌프를 제작하도록 하였다. 

SSME의 호환 고압 액체산소 터보펌프(HPOTP) - P&W 사 제작

발생한 진동 양상. 주 연소기 펌프를 중심으로 널뛰는 듯한 진동이 나타났다.

Acosta 교수로부터, "SSME의 호환 액체산소 터보펌프에 초 동기(High-Synchronous) 축 진동이 발생하여 NASA가 원인 규명을 진행중이다." 라 적힌 편지와 함께 이 진동의 해석 결과를 담은 사진이 도착했다. 

이 진동의 원인은 선회 캐비테이션이라고 금방 알 수 있었다. NASA의 터보펌프 개발에서의 고문 격이었던 Acosta 교수는 1991년에 발표하였던 선회 캐비테이션에 관한 일본 기계학회의 논문(일본어, 회고록 제6장에서 언급됨)을 NASA 마셜 우주비행센터에 보냈다. 해당 연구센터의 연구원은 그 즉시 거기 주재하고 있던 NASDA의 개발부원에게 그 논문의 번역을 부탁하였다.

3. 가족 여행을 겸한 회의 출석 중 방문 요청을 받다

테니시 주 네슈빌에서 개최된 합동 추진계 회의(1992년 7월 6 ~ 8일)에 출석하였던 당시, 마셜 연구센터의 몇 명이 오기를 기다리던 도중 "앨라배마 주의 마셜 우주센터에 방문해 주십시오." 라고 부탁받았다. 해당 연구센터는 합동 추진계 회의의 회의장으로부터 자동차로 2시간 정도로 갈 수 있는 거리에 있었다. 약 15년만의 가족여행을 겸하고 있던지라 나 혼자 갈 수 없어서 약간 고민하였다. NASA 마셜 우주비행 센터와 가까운 곳에 있는 우주박물관(미국 로켓개발 역사를 그 자리에서 알 수 있는 유명한 박물관임)에서 회의를 한다면, 가족들은 그 동안 박물관을 관람하는 것이 가능해지겠다는 묘안이 떠올랐다. 회의에의 참가를 희망하였던 오사카 대학의 츠지모토 교수(辻本良信, 츠지모토 요시노부. 오사카 대학 교수로 저자와 함께 선회 캐비테이션 관련 공동연구를 수행하여 이론을 정립함. 덤으로 저자와 Acosta 연구실 유학 시절 동료)와 가족 동반으로, 즐거웠던 렌터카 드라이브 후에 우주박물관에 도착하였다.

앨라배마 주 헌츠빌의 U.S. Space and Rocket Center

마셜 연구센터의 몇 명이 와 있었다. 그 중에서는 이전부터 알고있었던 Gross 씨(Loren A. Gross)도 있었다. 이 박물관에는 사용 가능한 회의실이 없었던 관계로 식당에서 회의를 진행하였다. 초 동기 진동의 원인인 선회 캐비테이션과 그 억제 대책에 대해서 설명하였다. 미국으로부터 일방적으로 가르침을 받는 것 뿐이었던 이 분야에서 바야흐로 반대의 현상이 일어나고야 말았다. 

U.S. Space and Rocket Center 내 식당에서 선회 캐비테이션에 대해 설명하는 저자.
왼쪽 인물들 중 가운데 인물이 저자이고, 저자의 오른쪽에 있는 사람이 언급된 Gross이다.

Acosta 교수는 이 일에 대해 매우 기뻐하며 귀국하던 즈음 캘리포니아 주 파세데나에 있던 가족 전원을 Caltech의 게스트 하우스에 초대하였다. 기억에 남는 일이었다.

4. 도움을 준 이후 - 왜 언급이 없지?

그 후, 발표하였던 논문에 따르면 나의 제안을 참고하여 대책을 세웠고, 초 동기 진동은 수습되었다. 다만, 내가 지원하였던 건에 대해서는 어떠한 기록도 없었다. 무엇보다도, NASA로부터 아무래도 많은 지원을 받았기 때문에 항의할 수 있는 것은 아니었다. Gross 씨는 이러한 것을 잘 알고있으리라고 생각한다.

보론

저자가 회도록에서 언급한, SSME의 호환 고압 액체산소 터보펌프(ATD HPOTP)와 관련된 논문은 아래와 같다.

The Space Shuttle Main Engine liquid Oxygen Pump High-Synchronous Vibration Issue, The Problem, The Resolution Approach, The Solution

https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.1994-3153

해당 논문에서는 발생한 축 진동 문제에 대해 어떤 방식으로 해결 과정을 거쳤는지 나오는데, 여기서 거론된 문제들로 베어링 및 씰 강성 등의 문제들 외에 'Inducer Cavitation'으로 선회 캐비테이션을 암시하는 듯한표현이 나온다. 저자가 조언을 한 1992년 직후에 작성 및 발표된 논문으로, 조언 덕이라는 저자의 표현이 충분히 신빙성 있다. 해당 논문에서는 주로 베어링, 씰 등 트라이볼로지 요소들에 대해 집중했는데, 논문 말미에 '아직 해결하지 못해서 터보펌프를 분해하는 중이다.' 라는 표현이 나온다. 
그 이후인 1995년에 발표된 논문 제목은 아래와 같다.

Developmental problems and their solution for the Space Shuttle main engine alternate liquid oxygen high-pressure turbopump: Anomaly or failure investigation the key

https://ntrs.nasa.gov/citations/19950021842

해당 논문에서는 이전 논문에서의 트라이볼로지 요소 개량과 함께 인듀서의 지름을 줄이는 방식으로 케이싱과의 간극을 늘린 인듀서를 시험하였다. 시험 결과 언급된 초 동기 진동의 진폭이 줄어들었음을 암시하는 표현이 나온다. 인듀서 개량과 함께 인듀서 후퇴각 증가, 등의 개량도 실시한 듯 하다.

간극을 늘린 결과 초 동기 진동 성분(synchronous forcing functions. high가 붙어야 하는데 생략된듯)의 진폭이 줄어들었다.

트라이볼로지 요소 외에 인듀서를 개량하여 초 동기 진동 문제(Step Synchronous Vibration Problem)가 해결되었음을 암시하고 있다.

저자가 선회 캐비테이션에 대해 해당 현상을 발견하고 이론을 정립한 사람이기 때문에 위와 같은 조언이 가능했었던듯 하다. 결론적으로 해당 터보펌프의 진동 문제 해결에는 이 사람의 공이 적지 않다고 볼 수 있다.

그런데도 논문에서 언급이 안된 것이 참 의외다.